CC BY
22
РАБОТА БУРИЛЬНОГО ИНСТРУМЕНТА В ОБСАЖЕННОЙ ЧАСТИ СТВОЛА СКВАЖИНЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ
СМАЗОЧНЫХ ДОБАВОК ПРИ СПО И РАСХАЖИВАНИИ
1 2 Пенкин Н.О. , Шакирова А.И.
1Пенкин Никита Олегович - студент; 2Шакирова Алина Ильдаровна - аспирант, кафедра бурения нефтяных и газовых скважин, Уфимский государственный нефтяной технический университет,
г. Уфа
Аннотация: актуальность работы обусловлена необходимостью в использовании высококачественных материалов бурильного инструмента для поиска трудноизвлекаемыхуглеводородов Крайнего Севера и освоения арктического шельфа. Ключевые слова: бурильная колонна, легкосплавные бурильные трубы, метод РКУП, запас прочности, скважина с большой протяженностью горизонтального участка.
Многолетний опыт показывает, что снижение качества и эффективности буровых работ происходит от воздействия ряда ключевых факторов. Это высокая аномальность геолого-технических и термодинамических условий бурения как природного, так и техногенного происхождения. Нестационарность технологических процессов бурения изаканчивания скважин, снижающих качество и эффективность буровых работ. Высокий уровень сложности гидравлических условий бурения глубоких скважин, приводящих к поглощениям буровых и тампонажных растворов, гидроразрывам горных пород, межпластовым перетокам и заколонным флюидопроявлениям, выбросам и фонтанам.
В сложившихся обстоятельствах отмечается устойчивая тенденция снижения эффективности технологий бурения, основанных на поддержании различных способов равновесия в скважине (гидравлического, механического, гидромеханического и т.д.). И главными факторами при этом становятся рост глубин бурения и сложность термодинамических условий строительства скважин.
Поэтому успешное решение проблем повышения качества и эффективности строительства глубоких скважин, сокращение сроков буровых работ приобретают важное народнохозяйственное значение и актуальность.
Инструменты при бурении и ремонте скважин работают в очень сложных условиях: высокие статические и динамические нагрузки; повышенное давление, температура; абразивная и коррозионная активность окружающей среды; отсутствие контроля за текущим состоянием, а зачастую и за параметрами взаимодействия инструмента с объектом; реализация высоких удельных мощностей; перегрев и катастрофический износ рабочих поверхностей режущих (рабочих) элементов и др.
Процесс изнашивания бурильных труб при спуско-подъемных операциях
Модифицированная машина трения УМТ 2168М позволяет проводить эксперименты по изучению физического моделирования процесса трения и изнашивания бурильных и обсадных труб во время спуско-подъемных операций.
Для обеспечения физического подобия процесса изнашивания обсадных и бурильных труб в лабораторных и реальных условиях необходимо обосновать схему взаимодействия. Поэтому взаимодействие бурильной трубы с внутренней поверхностью обсадной колонны можно смоделировать схемой «плоскость -плоскость» при возвратно-поступательном движении образца, имитирующегобурильную трубу (рисунок 1).
1 - образец, имитирующий обсадную колонну;
2 - образец, имитирующий бурильную трубу.
Рис. 1. Схема взаимодействия «плоскость - плоскость»
Расчеты показывают, что пары трения «бурильная труба - тело обсадной трубы» удельная нагрузка изменяется в пределах от 4 до 400 Н/см2, а интенсивность нагрузки - в пределах от 1 до 30 Н/мм. Скорость взаимодействия находится в пределах 0-5 м/с (при использовании ВСП ограничивается до 2 м/с). Эти условия при схеме взаимодействия «плоскость - плоскость» при возвратно-поступательном движении достаточно просто реализуются на машине трения УМТ-2168, при условии модификаций схемы крепления образцов трения и реализации схемы измерения силы трения между ними.
Скорость изнашивания стали бурильной трубы представлена в зависимости а = f (Ри , п, Vc , Тк , qc , НВ, А„ 1, Рг , Т0 ) (3)
Где интенсивность нагрузки (Ри), частота взаимодействия (п), скорость скольжения (V,), время контакта (тк) и удельный расход жидкости ^с) определяют режим трения взаимодействующих тел; твердость (НВ) рабочих поверхностей, качество промывочной жидкости (А^) характеризуют физико-химические свойства пар трения и среды; длина бурильных труб (1) определяет геометрические параметры пары трения; гидростатическое давление (РГ) и относительная температура (Т0) характеризуют скважинные условия [1].
На основе метода нулевых размерностей и п-теоремы соотношение (3) представлено в виде безразмерных комплексов (критериев подобия). При этом в качестве базисных факторов, имеющих независимые размерности, приняты НВ, 1 и п. Определитель, составленный из показателей степеней их размерностей (масса, длина, время), равен минус единице, т.е. базисные факторы имеют независимые друг от друга размерности.
Таким образом, критерии подобия равны: П = а/ п-1; п2 = Ри / НВ-1; П3 = V, / ^1; п4 = V п; П5 = qc / п-1;
П6 = Аж / п-1; П7 = Рг / НВ; П8 = Т>.
Ниже приведены расчеты интервалов изменения критериев подобия в натуре, т.е. в условиях реального бурения скважин при следующих исходных данных:
1) частота взаимодействия определенного участка обсадной колонны с бурильной трубой п = 0,01-2 с-1;
2) усилие прижатия бурильной трубы к стенке обсадной колонны Рп = 4-40 кН;
3) длина бурильных труб Lз = 10000-12000 мм;
4) удельный расход жидкости qc = (0,1-0,4) м3/м2с = (0,1-0,4) м/с;
5) время контакта бурильной трубы с определенным участком обсадной колонны тк = 1-2 с;
6) твердость поверхности бурильной трубы и внутренней поверхности обсадной колонны по Бринеллю HB = 120-321;
Диапазоны изменения критериев П2 , П3 , П4 , П5 и П7 связаны с типоразмером бурильных труб, режимами спуско-подъемных операций и приведенные выше исходные данные позволяют их рассчитать. В опытах используются реальные составы жидкостей, образцы из буровой технологии материалов, прошедших аналогичную химико-термическую обработку, можно принять П6 = idem.
Вышеуказанные критерии и подобия указаны в таблице 1.
Таблица 1. Значения критериев подобия для процесса изнашивания бурильной колонны
Критерий подобия Значения критериев подобия
Реальное бурение установка УМТ-2168
П2 104 0,16-1,98 0,3-2,25
Пз 2,5-40 16-480
П4 0,01-24 0,006-0,36
П5 0,33-40 22-1000
П7 3,0-15,0 1,0-4,0
П8 2,0-10,0 1,0-5,0
Была решена задача (Г.В. Конесевым и А.М. Фроловым) по реализации системы измерения силы трения между образцами машины трения УМТ 2168, заключающаяся в размещении тензодатчика внутри подвижного вала [1]. Модификация позволяет вести мониторинг силы трения между образцами в режиме реального времени, позволяя исключить ошибки, вносимые уплотнениями камеры (рисунок 2). Также сконструирована схема крепления и нагружения трущихся образцов (рисунок 3).
Рис. 2. Схема испытательного узла модифицированной машины трения УМТ 2168М: 1- камера; 2 - ползун; 3 - тензодатчик; 4 - держатель; 5 крепежный болт; 6-соединительный вал; 7 - держатель образца; 8 - направляющий блок; 9 - резиновое уплотнение; 10 - втулка; 11 -
прижимной узел
Рис. 3. Схема взаимодействия и устройство нагружения образцов трения
На рисунке 4 показана схема взаимодействия и устройство узла нагружения образцов. 1-корпус; 2-держатель образца трения; 3 - образец; 4 - Контробразец трения: 5-держатель образцов; 6-поршень.
а - образец, имитирующий внутреннюю поверхность обсадной колонны; б - образец, имитирующий поверхность бурильной трубы
Рис. 4. Форма и размер образцов трения - «шпонок»
Выучив установку УМТ 2168М, перейдем к способу проведения опытов и обработки результатов, суть способа заключается в следующем. Контробразец трения 4 (рисунок 3) впоследствии взвешивания на электрических аналитических весах с точностью до 0,0001 г устанавливается в держатель 5 и приводится в соприкосновение с образцом 3. В камеру 1 (рисунок 3) наливается исследуемая промывочная жидкость. Включается система измерения момента трения и времени данного опыта, запускается электропривод, осуществляющий возвратно-поступательное перемещение ползуна 2 (рисунок 3) формируется данная нагрузка на контробразец трения 4 (рисунок 3). Впоследствии проведения опыта контробразец очищается и взвешивается. Серия опытов проводится в пределах 133-200 Н/см прижимающего усилия, собственно что соответствует интенсивности взаимодействия бурильной и обсадной колонны на интервалах наборов параметров кривизны и в местах локального искривления скважин трудного профиля. В данном диапазоне контактное давление между телами трения составляет 2,6-4 Н/ мм2.
Скорость изнашивания определяется по формуле:
Атср г ,
а =--—, [мм / мин]
р ■ S ■ t
гдеДЩр - массовый износ образца, мг;
S - рабочая площадь, мм2.
t - время опыта, мин;
, мг/мм3.
18
р - плотность образца, мг/мм3.
Значение силы трения между образцами в ходе опыта регистрирует тензодатчик, сигнал с которого обрабатывается на АЦП и регистрируется на компьютере. В ходе опыта тензодатчик регистрирует как сжимающее, так и растягивающее усилие (обусловлено возвратно-поступательным движением ползуна) [1].
Сж1 мающее ус ише, Беж
/
ifWl
J 1 К, Л/4 f\
II
Л 1 k /
rvHy \-l1l \ / и %lrt 1
^ViW f WW \ / Г"
/ \ /
«крайни » точках
Рис. 5. Регистрация силы трения между образцами в ходе опыта
На рисунке 5 показано значение силы трения (в кодированном значении) между образцами в ходе опыта.
Средой для проведения опытов были использованы следующие составы:
1) ПГР (Вода + 4% Бентонит + 0,2% ЧГПАА + 0,1% NaOH)
2) ПГР (Вода + 4% Бентонит + 0,2% ЧГПАА + 0,1% NaOH+ 2%(Lubriol))
3) ПГР (Вода + 4% Бентонит + 0,2% ЧГПАА + 0,1% NaOH+ 2%(Eco Lube))
4) ПГР (Вода + 4% Бентонит + 0,2% ЧГПАА + 0,1% NaOH+ 2%(Фк200))
5) ПГР (Вода + 4% Бентонит + 0,2% ЧГПАА + 0,1% NaOH+ 2%(АКС303)) Обработка и анализ полученных результатов
Результаты опытов приведены в таблице ниже. По ним построены графики скоростей изнашивания исследуемых материалов в различных средах.
До(РКУ) Коэффициент трения Износ[мм/час]
ПГР (Вода + 4% Бентонит + 0,2 % ЧГПАА + 0,1 % NaOH) 0,25-0,35 0,02722
Раствор+Lubriol 0,21-0,31 0,02430
Раствор+Eco Lube 0,22-031 0,02139
Раствор+Фк200 0,25-0,35 0,02041
Раствор+АКС303 0,20-0,25 0,02333
После (РКУ)
ПГР (Вода + 4% Бентонит + 0,2 % ЧГПАА + 0,1 % NaOH) 0,25-0,35 0,01518
Раствор+Lubriol 0,20-0,25 0,00834
Раствор+Eco Lube 0,20-0,25 0,01385
Раствор+Фк200 0,20-0,31 0,01214
Раствор+АКС303 0,20-0,25 0,00986
Коэффициент износа до РКУП и после
0,03 0,025
т —.
£
« 0,02 и
о
X
m
н 0,015 х ф S J
4 0,01
m
о ^
0,005 0
ПГР (Вода + 4% Раствор+Lubriol Раствор+Есо Раствор+Фк200 Раствор+АКС303 Бентонит + 0,2% Lube
ЧГПАА + 0,1% NaOH)
Рис. 6. График зависимости коэффициента износа в различных средах
Из представленной таблицы и графиков видно что, коэффициенты износа и трения уменьшаются при применении обработки материала методом РКУП. Также
коэффициенты износа уменьшаются в различных средах.(Раствор+Lubrюl, Раствор+АКС303) Выводы
1) Проведенный анализ скорости изнашивания бурильных и обсадных труб показал, что методика исследования, базирующаяся на установке УМТ-2168, позволяет моделировать процесс истирания бурильных труб, изготовленных из легкого сплава.
2) Обоснован выбор методов исследования процесса изнашивания легкосплавных бурильных труб о внутреннюю поверхность обсадной колонны при различных средах.
3) Проведенные исследования показали, что метод РКУП позволяет увеличить износостойкость легкого сплава, применяющего для изготовления ЛБТ.
Список литературы
1. Фролов Андрей Михайлович. Улучшение противоизносных и антифрикционных свойств промывочных жидкостей для бурения скважин сложного профиля: диссертация кандидата Технических наук: 25.00.15 / Фролов Андрей Михайлович [Место защиты: Уфимский государственный нефтяной технический университет]. Уфа, 2016. 157.
2. Дворников А.А. Применение легкосплавных бурильных труб ЛБТПН 89х11 в сложных геологических условиях бурения боковых стволов на Приобском месторождении // Нефть и газ, 2011. № 2.
3. Басович В.С., Буяновский И.Н., Сапунжи В.В. Комбинированные бурильные колонны для проходки горизонтальных участков и боковых стволов малого диаметра с применением алюминиевых труб // Oil &Gas Eurasia, 2014. № 5.
4. Басович В.С., Буяновский И.Н., Сапунжи В.В. Перспективы применения легкосплавных бурильных труб с наружным спиральным оребрением для бурения горизонтальных скважин и боковых стволов // "Бурение и нефть, 2013. № 6.
5. Басович В.А., Буяновский И.Н., Сапунжи В.В. Применение трубных изделий из алюминиевых сплавов в нефтегазодобывающей отрасли // Oil &Gas Eurasia. 2013. № 6.
6. Булатов А.И., Макаренко П.П., Проселков Ю.М. Буровые промывочные и тампонажные растворы: учебное пособие для вузов. М.: Недра, 1999. 424 с.
7. Басович В.С., Гельфгат М.Я., Файн Г.М. Состояние и перспективы применения изделий из алюминиевых сплавов в нефтегазодобывающей отрасли // Бурение и нефть, 2003. № 4.
8. Работа бурильной колонны в зависимости от материала труб Шакирова А.И. Вестник молодого ученого УГНТУ, 2016. № 1. С. 15-20.
9. Комплексное изучение материалов алюминиевых бурильных труб Шакирова А.И., Исмаков Р.А., Аглиуллин А.Х. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов, 2017. Т. 328. № 2. С. 95-103.
